Крупные протонные возмущения на орбите. 14 лет спустя

КРУПНЫЕ ПРОТОННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ НА ОРБИТЕ.

14 ЛЕТ СПУСТЯ

, ,

Государственный научный центр Российской Федерации Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

С 24 октября 2003 года неожиданно большое внимание в средствах массовой информации получили вопросы солнечной активности. По нескольким каналам телевидения было объявлено о начале гигантской солнечной вспышки и о скором возникновении на Земле крупнейшей магнитной бури. Действительно, в период с 23 октября по 4 ноября 2003 года, на Солнце возникли несколько солнечных вспышек, сопровождавшихся инжекцией протонов. В ночь с 29 на 30 октября произошла крупная магнитная буря, во время которой амплитуда кольцевого тока, или Dst – вариация, достигла значения в 310 нТл, а в ночь с 30 на 31 октября новая буря, где значение Dst – вариации составило 347 нТл. В рамках семинара геофизиков в НИИЯФ МГУ 2.11.03 говорилось о сравнении событий от 28-29.10.03 с событиями в октябре 1989 года, включая радиационное воздействие на космонавтов, выполняющих орбитальные полеты.

В таблице 1 представлены интегральные характеристики солнечных протонных событий (СПС) в эти два периода.

Таблица 1.

Интегральные характеристики СПС в октябрях 1989 и 2003 гг.

Дата начала СПС	Характеристики	Дата начала СПС	Характеристики
19.10.89	J(>30 МэВ) = 2,25·109 Ro = 103,6 MB g = 1,59 Dst = -127,4 нТл	26.10.03	J(>30 МэВ) = 1,92·107 Ro = 47,6 MB g = 3,42 Dst = 8,6 нТл
22.10.89	J(>30 МэВ) = 9,77·108 Ro = 109,6 MB g = 1,72 Dst = -74,7 нТл	28.10.03	J(>30 МэВ) = 2,52·109 Ro = 64,9 MB g = 2,79 Dst = -28,2 нТл
24.10.89	J(>30 МэВ) = 5,14·108 Ro = 133,5 MB g = 1,28 Dst = -40,0 нТл	29.10.03	J(>30 МэВ) = 5,66·108 Ro = 78,7 MB g = 2,10 Dst = -125,9 нТл
		02.11.03	J(>30 МэВ) = 2,28·108 Ro = 60,6 MB g = 2,57 Dst = 15,3 нТл

здесь: J(>30 МэВ) – поток протонов с энергией выше 30 МэВ за все событие (30 МэВ используется как энергия протонов, поглощаемых толщиной защиты 1 г/см2);

Ro – характеристическая жесткость спектра протонов СПС при экспоненциальном представлении;

g - показатель спектра протонов СПС при степенном представлении;

Dst – среднее значения амплитуды кольцевого тока за время СПС.

Из анализа таблицы 1 видно, что по величинам потоков протонов СПС действительно сопоставимы. Но условия проникновения протонов на орбиту пилотируемой станции (орбитальный комплекс ОК МИР в 1989 г. и МКС в 2003 г.) совершенно различные.

На рис.1 представлена динамика часовых потоков протонов с энергией выше 100 МэВ (J(>100)), измеренных на спутнике GOES-6 [1] и часовых значений амплитуды кольцевого тока (Dst в нТл) [2].

Рис. 1. Динамика потоков высокоэнергичных протонов и условий их прихода на орбиту ОК МИР в октябре 1989 года.

На рис. 2 представлена динамика расчетных значений витковой поглощенной дозы для канала D2 радиометра Р-16 на станции МИР (рис. 2а) с использованием функций экранированности из [3] и аналогичных расчетов для МКС (рис. 2б) с использованием функций экранированности из [4].

Рис. 2. Динамика поглощенной дозы на ОК МИР и МКС в октябре 1989 г.

Из анализа рис.1 видно, что максимум потока протонов J(>100) (красная кривая на верхнем рис.1) за 20.10.89 по времени совпал с минимумом Dst – вариации (зеленая кривая на верхнем рис.1). Именно в это время орбитальный комплекс МИР проходил через области полярных шапок, через которые протоны солнечных вспышек могут проникать в область орбиты станции. Дозовый вклад от протонов СПС представлен на рис. 2 закрашенными красным областями. Дозовый вклад от постоянных источников определялся аналогично [5] – закрашенная желтым цветом область на рис. 2. Для определения динамики поглощенной дозы на МКС использованы баллистические характеристики орбиты ОК МИР из [6].

Одной из особенностей расчетов в [3] было отсутствие данных по Dst – вариации и при проведении расчетов подбирались такие значения амплитуды кольцевого тока, чтобы обеспечить приемлемое согласие расчетных результатов с измеренными данными радиометра Р-16. Такой подход позволял оценить поглощенные дозы в различных отсеках ОК МИР на основе имевшейся модели защищенности таких отсеков. В данной работе использованы измеренные часовые значения Dst – вариации и никаких «подгонок» не проводилось.

Сравнение результатов расчетов для ОК МИР и МКС приводит к выводу о существенно лучшей защищенности радиометра Р-16 на МКС по сравнению с ОК МИР. Расчетные оценки накопленных за период 19-28.10.89 поглощенных доз и экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Суточные поглощенные дозы в октябре 1989 года.

Дата	ОК МИР	МКС
D1, мкГр	D2, мкГр	D2, мкГр изм.	D1, мкГр	D2, мкГр
19.10.89	970,3	1 112,3	1 000±50	663,5	741,8
20.10.89	9 775,4	23 428,4	25 350±50	3 153,7	6 843,4
21.10.89	484,5	1 051,8	1 200±50	201,6	368,1
22.10.89	528,5	670,6	450±50	359,1	421,7
23.10.89	1 183,0	2 319,8	2 650±50	454,6	796,0
24.10.89	241,3	384,9	750±50	129,4	186,5
25.10.89	817,7	1 359,0	1 350±50	369,0	552,0
26.10.89	255,5	370,5	450±50	142,6	194,5
27.10.89	189,1	268,3	300±50	114,1	153,7

Из анализа таблицы 2 следует, что, в среднем, степень защищенности радиометра Р-16 на МКС в 2,8 раза выше, чем на ОК МИР.

В 1989 году результаты измерений радиометра Р-16 передавались в Службу радиационной безопасности (СРБ) один раз в сутки и только 20 октября были переданы по каналам телеметрии данные с промежуточных витков. На рис. 3 представлено сравнение динамики накопления измеренной и расчетной поглощенной дозы по каналу D2 радиометра Р-16 на ОК МИР за 20 октября 1989 г.

Рис. 3. Динамика накопления поглощенной дозы по каналу D2 за 20.10.89 г. Закрашенные треугольники – экспериментальные значения, красная кривая – расчетные значения.

Из рассмотрения рис. 3 видно вполне удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными данными. Данный факт скорее можно считать исключением, чем правилом, поскольку методическая погрешность использованных алгоритмов расчетов [4,6] составляет ~30%.

В 2003 году картина прохождения протонов СПС на орбиту МКС существенно отличалась от 1989 года. На рис. 4 представлена динамика часовых потоков протонов с энергией выше 100 МэВ (J(>100)), измеренных на спутнике GOES-11 [1] и часовых значений амплитуды кольцевого тока (Dst в нТл) [2].

Рис. 4. Динамика потоков высокоэнергичных протонов и условий их прихода на орбиту ОК МИР в октябре 2003 года. Обозначения аналогичны рис. 1.

На рис. 5 представлена динамика расчетных значений витковой поглощенной дозы для канала D2 радиометра Р-16 на станции МИР (рис. 5а) с использованием функций экранированности из [3] и аналогичных расчетов для МКС (рис. 5б) с использованием функций экранированности из [4].

Рис. 5. Динамика поглощенной дозы на ОК МИР и МКС в октябре 2003 г.

Из анализа рис. 4 следует, что в период максимума вспышки от 28.10.03 амплитуда кольцевого тока была положительной и в это время орбитальная станция совершала полет по наиболее защищенным магнитным полем Земли виткам. В связи с этим вклад в поглощенную дозу был существенно меньше, чем 20.10.89.

Расчетные оценки поглощенных доз за период 27.10-03.11.03 для ОК МИР и МКС и экспериментальные данные представлены в таблице 3. Для этой серии вспышек защищенность радиометра на МКС в 2,7 раза выше, чем на ОК МИР. Из анализа таблицы 3 следует, что в периоды мощных СПС (29-30.10.03) расчетные оценки поглощенных доз заметно превышают экспериментальные значения. С точки зрения обеспечения радиационной безопасности космонавтов, такая переоценка опасности лучше, чем недооценка. Необходимо также отметить, что в расчетах поглощенных доз учитывается вклад от вторичных нейтронов, в то время как радиометр Р-16 практически не чувствителен к нейтронам.

Таблица 3.

Суточные поглощенные дозы в октябре 1989 года.

Дата	ОК МИР	МКС
D1, мкГр	D2, мкГр	D1, мкГр	D1, мкГр изм.	D1, мкГр	D2, мкГр изм.
27.10.03	246,3	346,4	132,4	150±50	179,9	150±50*)
28.10.03	224,2	313,8	122,2	100±50	164,7	200±50*)
29.10.03	729,2	2 951,3	220,6	300±50	769,3	750±50*)
30.10.03	1 333,7	3 004,8	475,1	250±50	942,8	900±50
31.10.03	213,1	308,7	116,2	300±50	158,3	650±50
1.11.03	221,9	314,7	119,1	100±50	162,7	150±50
2.11.03	242,6	343,5	130,1	150±50	177,7	150±50
3.11.03	220,4	312,9	118,3	150±50	161,8	200±50

_____________________

*) 27-29.10.03 канал D2 не работал. В таблице представлены экспертные оценки.

Поскольку при полете МКС информация с радиометра Р-16 передается практически с каждого связного витка, это позволяет более тщательно отслеживать динамику накопления поглощенных доз. На рис. 6 представлено сравнения расчетных и измеренных поглощенных доз на МКС.

Рис. 6. Динамика накопления поглощенных доз на МКС. Сиреневая кривая – расчет, синие кружочки – эксперимент по каналу D2; красная кривая – расчет, черные треугольники – эксперимент по каналу D1.

Из анализа рис.6 следует вполне удовлетворительное согласие расчетных результатов с экспериментальными данными.

В таблице 4 представлены значения толщин плоского слоя защиты, приводящих к таким же величинам поглощенных доз, какие получены для обоих каналов радиометра Р-16 на ОК МИР и МКС для рассмотренных СПС.

Таблица 4.

Эквивалентные толщины плоского слоя защиты в г/см2 Al.

Дата СПС	ОК МИР	МКС	Дата СПС	ОК МИР	МКС
19.10.89	D1: 13,79 D2: 8,57	D1: 23,70 D2: 16,48	26.10.03	D1: 12,59 D2: 9,05	D1: 18,81 D2: 12,59
22.20.89	D1: 14,68 D2: 9,25	D1: 27,05 D2: 18,58	28.10.03	D1: 11,69 D2: 6,80	D1: 17,42 D2: 11,02
24.10.89	D1: 14,99 D2: 9,79	D1: 26,22 D2: 19,58	29.10.03	D1: 13,65 D2: 8,47	D1: 22,75 D2: 16,11

Из рассмотрения таблицы 4 видно, что эквивалентные толщины защиты радиометра Р-16 в МКС существенно больше соответствующих значений на ОК МИР, что объясняет выводы, сделанные из анализа результатов, представленных в таблицах 2,3.

Литература.

1. http://spidr/ngdc. noaa. gov/

2. http://swdcbd. kugi. kyoto-u. ac. jp/

3. , . Модель защищенности обитаемых отсеков базового блока станции МИР. – Косм. исслед., 1994, т.3, № 3, с.115-123.

4. . Модель защищенности обитаемых отсеков служебного модуля международной космической станции. – Авиакосмическая и экологическая медицина, в печати.

5. , . Проблемы обеспечения радиационного контроля на ОПС МИР в 22-м цикле солнечной активности. – Косм. исслед., 2000, т.38, № 2, с.121-126.

6. , , . База данных о радиационной обстановке на станции МИР в период с 08.02.87 по 28.08.99. – М., Роспатент, 2000, № .

7. и др. Алгоритм. Прогноз уровней радиационного воздействия от солнечного космического излучения на борту космического аппарата, выполняющего полет по околоземной орбите. – М., ОФАП, № П 1979, 12 с.